KR0180317B1 - 초강화프라스틱 재료 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

유리, 금속, 합성수지 재료로된 그라스파이바를 합성수지로 코팅하여 가닥(strand)을 얻고 이를 절단하여 펠레트화한 초강화 프라스틱 재료 및 이의 제조방법에 관한 것임.

Description

초강화프라스틱 재료 및 그의 제조방법

본 발명은 초강화프라스틱 재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

작업장에서 쉽게 작업장 주위나 대기중으로 비산되는 여러 종류의 파이바(fiber)를 적당한 수지로 외부코팅한 후 일정크기로 절단하여 펠레트화한 프리프레그(prepreg)형의 초강화프라스틱 재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

현대 산업에 있어 주요소재로 사용하고 있는 프라스틱은 여러 가지의 첨가제들을 처방하므로서 보다 다양한 용도를 가질 수 있으며, 특히 여러 종류의 보강제들을 첨가하여 물성을 향상시킴에 있어 카본파이바, 그라스파이바, 메탈파이바와 같은 여러종류의 파이바를 첨가하는 경우가 자주 발생한다.

현재 그라스파이바 및 카본파이바 보강프라스틱의 가공방법은 그라스파이바 및 카본파이바의 절단된 파이바를 압출공정에서 적정량의 수지와 혼합하여 성형하는 것이 보편적인 열가소성 수지의 가공방법이다.

그러나 이 방법은 생산단가가 상승할 뿐만 아니라 압출과정에서 이들 섬유들이 절단된 상태에서 성형되므로 물성의 저하가 생길뿐만 아니라 이들 섬유들의 강성으로 인하여 가공기계들의 마모 역시 심하게 일어나고 있어 경제적 손실이 증가할 뿐만 아니라 이들 섬유의 가닥들이 수지속에서 분산 및 분포상을 이룰 때 서로의 이질성 때문에 균질성이 결여된다.

그리고 이들 파이바류들은 섬유상으로 되어 있기 때문에 이들을 취급할 때 작업상 많은 애로점이 있다.

즉 작업중 쉽게 대기중으로 휘 분산되어 작업장의 환경을 나쁘게 할뿐 아니라 대기오염에 많은 영향을 끼쳐 진폐증, 규폐증과 같은 심각한 직업병들을 유발시킬 수 있다. 그리고 대부분의 사업장에서는 노동 인력의 수급부족에 대비하여 자동화를 추진하고 있는 추세이며 프라스틱의 원부자재 역시 자동 원료공급시스템이 도입되고 있는 상태이지만 이들 파이바류 또는 분말(powder)류들은 자동계량화가 쉽게 되지 않는 단점을 가지고 있다.

이런 결점들을 해결하기 위하여 전선피복과 같은 방법을 응용하여 그라스 또는 카본 파이바의 얀(yarn)을 연속적으로 수지를 코팅하고 냉각절단하여 펠레트(pellet)화 시켜 성형하므로서 품질의 균질성 및 생산성 향상의 목적을 하고 있다.

본 발명은 파이바류를 펠레트화 시킴에 따라 보다 정확한 계량과 취급상의 용이함 및 최종제품의 균질성 보장 그리고 대기중의 휘 비산을 방지하므로서 보다 청결한 작업장을 유지할 수 있는 장점을 가진 수지가 코팅한 파이바를 개발한 것으로 발명의 개요는 압출기의 T다이스에 섬유상의 파이바로빙(Roving) 또는 얀을 통과시키면서 압출기에서 용융된 수지를 파이바 외부에 코팅시키면서 인취하여 가닥(strand)으로 만든 다음 냉각하여 절단기로 펠레트화 한다.

이와 같이 코팅된 파이바펠레트를 플라스틱 보강재로 사용할 수 있는데 이때 코팅된 파이바의 함량관계는 가닥(strand)을 인취할때의 속도를 조절하여 파이바에 코팅이 되는 수지의 양을 조절할 수 있고 그 밖에 파이바는 합성수지의 용융점에 해당하는 장력조절, 예비열처리 그리고 수지의 점도 등을 조절하므로서 파이바가 함유된 프리프레그(prepreg) 타입의 초강화 프라스틱을 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용되는 파이바류로는 카본파이바, 그라스파이바, 알미늄파이바, 구리, 스텐레스 등과 같은 금속파이바들을 사용할 수 있고 더욱 확대하면 천연섬유, 합성섬유등도 사용할 수 있으며, 외부코팅재료로 사용할 수 있는 합성수지들로는 올레핀계의 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초저밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트폴리머, 염화비닐수지, 스틸렌계합성수지인 폴리스틸렌, 스틸렌아클리로니트릴수지, 아크릴로니트릴 부타디엔스틸렌코포리머, 폴리아미드계, 폴리아크릴레이트계 등의 현재 글라스 파이바나 카본 파이바로 보강된 열가소성수지 전반의 합성수지를 사용할 수 있다.

또 공정의 구성은 로빈(Robbin)에 감긴 얀(Roving type)이 장력을 가지고 물릴 수 있도록 하는 장력장치를 거쳐 압출기의 다이스를 통과시켜 얀(yarn)주위에 수지를 코팅하고 인취기에서 일정한 속도로 인취시켜 파이바에 코팅되는 수지의 두께가 일정하게 되게 조정하며 코팅된 파이바 가닥을 냉각수조로 통과시켜 냉각된 가닥을 펠레타이즈(pelletizer)에서 일정한 속도로 절단하여 5-6㎜의 길이의 펠레트를 얻는다.

그리고 본 방법에서 사용되는 생산설비와 메카니즘은 아래와 같다.

1. 장력장치

그라스파이바 또는 카본 파이바는 마찰하면 부풀어오르는 경향이 있으므로 파이바류를 선택할 때 섬유상이 서로 꼬여 일체화된 사(絲)나 얀을 선택해야 하며 이들의 장력이 강하기 때문에 마찰로 인하여 서로 절단되어 단 섬유상으로 조직이 파괴되어 비산되기 쉽다.

따라서 섬유가 지나가는 곳의 마찰을 극소화 시키기 위하여 4본 로울러를 장력장치로 사용한다.

2. 다이스

가닥(strand)의 토출 속도를 느리게 하는 방법으로서 1개의 다이스에 가닥의 홀(hole)수를 늘리는 것이 좋으나 다공성의 다이스를 사용하면 레진코팅 두께의 균일성을 유지하기 어려우므로 2본 가닥으로 함이 좋고 얀이 T-다이에 부착되어 있는 노즐을 통과할 때 마찰에 의한 부풀음 현상으로 인하여 노즐홈이 막힐 우려가 있으므로 얀이 통과하는 노즐의 내면을 잘연마하여 얀의 마찰저항을 극소화시켜야 하고 또한 얀의 표면이 거칠은 얀의 표면에 용융레진이 잘 밀착되지 않은 상태로 코팅이 될 우려가 있으므로 yarn을 꼬아서 표면을 매끈하게 유지시키면서 코팅해야 하며 얀의 내부까지 합성수지가 용융되어 침투하기 위해서는 얀을 예열된 상태에서 통과시켜야 한다.

그 밖에 합성수지의 점도는 실의 표면 형태를 눌러 정연하게 있을 정도의 점도를 가져야 한다. 너무 묽게 실의 표면이 합성수지 코팅외면으로 나타나게 되는 경향이 있으며 점도가 크지만 얀(yarn)의 내부까지 합성수지가 침투되기 힘들다/

3. 인취기(winder) 및 냉각수조

다이스를 가쳐 수지가 코팅되는 파이바 가닥을 정확하게 당겨 주어야 노즐을 통과할 때 레진코팅이 정확하게 되므로 인취기의 속도에 따라 수지 대비 파이바의 함량비율이 결정되므로 인취기의 역할이 품질에 직접적인 영향을 준다. 또한 가닥(strand)의 냉각상태에 따라 가닥의 절단상태가 결정되므로 냉각수조는 충분한 냉각이 이루어질 수 있는 용량을 거쳐야한다.

다시 말하면 냉각상태는 점도와 직결되는 것으로 적정한 점도에서 절단되어야 절단부분에 있어 심재가 보이지 않고 완전히 코팅된다.

4. 펠레타이저(pelletizer)

펄레타이저는 레진속에 묻혀있는 얀을 손상시키지 않으면서 레진과 얀을 미끈하게 절단하기 위해서는 얀과 레진간의 밀착코팅, 가닥의 냉각상태 펠레트의 길이등과 같은 여러 가지 요인들이 있다.

그리고 인취기와 펠레타이저는 연동관계를 갖는 시스템으로 구축해야 한다.

이상에서 본 발명에 의한 방법을 요약하면, 섬유상이 서로 꼬여 있는 일체화된 섬유사 또는 얀을 장력 및 압을 부여하는 로울러에 의하여 인도되어 노즐을 통과시키되 섬유사 또는 얀의 부풀음저항을 집속할 수 있는 점도의 합성수지를 코팅한 가닥들을 인취기로 인취 냉각시켜 펠레트화함을 특징으로 하는 초강화 프라스틱의 제조방법과 이 방법으로 얻어지는 제품이라 할 수 있다.

여기에서 약간적은 테이파(경사)진 경사홈을 따라 제2의 노즐 구멍으로 통과시키므로서 합성수지로 코팅된 가닥은 더욱 원형을 형성하게 되고 합성수지는 섬유사 또는 안에 밀착하게 되며 섬유사 또는 얀을 더욱 안쪽으로 향하게 집속되어진다.

위의 방법에서 파이바의 꼬임정도, 파이바의 종류에 따라 합성수지의 점도는 달라질 수 있으나 어쨋든 섬유사 또는 얀의 부풀음 저항을 눌러 안쪽으로 집속시킬 수 있을 점도로 조정하여야 한다.

이상의 방법으로 얻어진 초강화 플라스틱 재료의 물성에 대한 효과를 측정하기 위하여 아래와 같이 실시예를 들어 비교하였다.

[실시예 1]

시판되고 있는 그라스파이바(ER 2310, 직선형 로빙타입, 2400tex)를 압출기(압출온도 230℃)에서 인취속도 80m/분으로 조절하여 ABS 수지(일반용)80wt%, 그라스파이바함량 20wt%로 조절하여 본 방법에 의하여 초강화 프라스틱 제품을 얻었다.

이와는 달리 시판중인 그라스파이바(Cnopped Strand Glass Fiver, 6㎜ 길이)를 위의 수지인 ABS 수지에 직접 혼합하여 압출한 후 시편을 제조하였다.

그 밖에 위에서 사용한 ABS 일반용을 사용하여 시편을 만들었다.

위에서 얻어진 3가지 시편으로 물성을 측정한 결과 물성비교표(1)과 같은 시험결과를 얻었다.

본 표에서 보는 바와 같이 초강화프라스틱(Super Reinforced Plastic)을 사용하는 경우와 직접 그라스파이바(CS/GF)를 사용하는 경우를 비교해 볼 때 상대적으로 SRP(Super Reinforced Plastic)가 그라스파이바(SC/GF)보다 물성의 향상 및 작업성의 양호함을 가지고 있는 잇점이 있음을 알 수 있다.

[실시예 2]

PP수지 82.4% 그라스파이바 함량 17.6%로 하여 본 발명에 의한 방법으로 6㎜의 펠레트를 만든 후 시편을 만들었다.

한편 PP수지 82.4%에 6㎜로 절단한 그라스파이바 17.6%를 혼련하고 압출하여 펠레트를 만든 후 시편을 만들었다.

그 밖에 폴리푸로피렌(HJ-400)재료 그대로를사용하여 시편을 만들었다. 위에서 얻은 3종류의 시험재료로 물성을 측정하여 물성비교표(2)와 같은 시험결과를 얻었다.

기본 수지가 PP인 경우 초강화프라스틱형(SRP Type)이 그라스파이바 혼합형(CS/GF Type)에 비하여 물성보강효과가 현저하게 증가 되었음을 물성비교표(2)에서 알 수 있고, 그의 열변형 온도(HDT)의 경우에는 같은 그라스파이바얀을 첨가했음에도 불구하고 약 15℃정도가 증가된 효과를 얻을 수 있었다.

그 밖의 효과로는 일반적으로 파이바류를 취급하는데 있어서 어려운 점은 작업성의 불량을 들 수 있는데 이를 개선하기 위해 고안된 초강화 프라스틱 마스터 벳치(SRP MB)를 사용할 경우 이러한 난점을 손쉽게 개선할 수 있음을 알 수 있었다. 즉 파이바들이 쉽게 날리지 않으면서도 손쉽게 계량을 할 수 있어 건식혼합(dry blending)이 쉬웠으며, 또한 자동공급장치를 통해서도 정확한 양이 투입됨으로써 생산되는 제품의 물성이 균일화하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있음이 확인되었다. 또한 생산원가적인 측면에서도 원가절감의 효과를 얻을 수 있는데 이는기존의 유리섬유 강화 폴리프로필렌(FR-PP)의 경우는 반응성의 PP와 유리섬유를 화학결합시킨 것으로 탄성율, 열변형온도(HDT), 크라프특성, 피로특성이 향상되어 고급 엔지니어링 플라스틱에 버금가는 물성을 가지고 있는 장점이 있지만 이를 생산하기 위해서는 고도의 장비 및 기술을 필요로 하므로 유리 섬유 강화 폴리푸로필렌의 원가상승 부담을 가지고 있다. 그러나 본 발명품인 초강화프라스틱 SRP는 이와 같은 장치적인 부담을 가지고 있지 않을 뿐만 아니라 직사출용으로 사용할 수 있는 컴파운드 또는 적당한 그라스파이바 농도를 조절할 수 있는 마스터 벳치로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으므로 기존의 유리섬유강화 폴리푸로필렌보다 원가적인 측면에서 훨씬 우위를 가지고 있음을 알 수 있다.

그리고 본 초강화프라스틱을 가장 효과적으로 적용할 수 있는 대표적인 성형방법으로는 초강화프라스틱을 직접 사용수지와 혼합하여 사용하는 건식혼합 직사출방식이 있으며 특히 BMC(Bulk Moulding Compound)방식과 SMC(Sheet Moulding Compound) 성형방법의 경우에는 특히 더 큰 효과를 얻을 수 있다.

BMC(Bulk Moulding Compound)의 경우 절단된 가닥 형태의 파이바 수지, 충진제들이 함께 섞여있는 복합물을 원료로 사용하여 성형할 때 그라스파이바의 함량이 적고 충전제의 양이 많아 제품의 기계적 특성이 떨어지는 단점을 가지고 있지만 초강화프라스틱을 BMC(Bulk Moulding Compound) 공법에 적용하면 그라스파이바의 함량을 손쉽게 조절할 수 있어 기계적 특성 및 열적 특성을 향상시킬 수 있다.

그리고 SMC의 경우에는 파이바를 적당한 크기로 자른 다음 이들을 적당한 수지에 함침시켜 쉬이트 형태의 프리프레그(prepreg)를 만드는 공정이 필요없이 초강화프라스틱을 직접 공정에 투입할 수 있으므로 공정개선에도 큰 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

1. 예비열처리된 섬유상이 서로 꼬여 있는 일체화된 섬유사 또는 얀을 장력 및 압을 부여하는 로울러에 의하여 인도되어 노즐을 통과시키되 꼬인 섬유사 또는 얀의 부풀음 탄성저항을 집속할 수 있는 점도의 합성수지로 코팅한 가닥들(strands)을 이가닥 굵기보다 약간적인 테이파진 노즐로 통과시켜 펠레트화함을 특징으로 하는 초강화프라스틱 재료의 제조방법.
2. 청구범위 1항에 있어서, 섬유사 또는 얀이 유리, 금속, 합성수지재료임을 특징으로 하는 초강화프라스틱 재료의 제조방법.
3. 청구범위 1항의 방법으로 얻어진 그라스파이바를 합성수지로 코팅시킨 초강화프라스틱 재료.